一种准宏观冷场发射电子枪及其制造方法与流程

1.本发明涉及电子枪发射装置的制造领域，特别是涉及一种准宏观冷场发射电子枪及其制造方法。


背景技术：

2.1.介观尺度零件制造是微小机械系统智能制造领域的瓶颈
3.系统小型化是电子通信、生物医疗、自动化、光学系统等众多领域的共同追求，这需要越来越小的零部件，为此人们采用各种微加工技术研制微小零件产品，如微执行器、微机械装置、传感器与探针、微流道、医疗植入物、光学零件及其他微机电系统(mems)器件等，但如何为这些微器件制造配套的复杂金属微零件(microcomponents)却成为卡脖子问题，一些微器件经过封装后尺寸还是大幅增加。
4.微制造可分为mems工艺和非mems工艺。前者基于光刻，后者基于机械加工，均难以胜任复杂形状金属微零件制造(特别是小批量个性化制造)：前者存在难以加工复杂3d形状、对材料属性有限制，加工装备及工艺复杂等诸多困难，难以实现真正的金属3d微制造；后者难以加工亚微米特征尺度的微零件。故亟待开发适合复杂形状3d金属微零件的制造方法。
5.2.mebm可望破解介观尺度零件难题，关键在于合适的电子枪灯丝材料和器件。
6.电子束增材制造(ebm)是一种逐层增加的全数字化直接制造方法，采用聚焦能量束逐层对平铺在粉床上的金属粉末进行选区熔融，能实现任意复杂形状、中空结构以及功能梯度材料的制造，有效降低零件的制造成本和开发周期，材料性能优异，可以连接不同材料，显著减少材料浪费，省去了昂贵的工装费用等。现有ebm电子枪采用钨灯丝热阴极(arcam s12,a2,a2x)或单晶lab6阴极(arcam q10,q20)，其中钨灯丝的焦斑尺寸约为250μm，lab6阴极的焦斑尺寸约为140μm，只能用于宏观机械零件的制造。可见，对于介观尺度零件的制造，现有ebm技术难以满足。
7.另外，现有高端电镜设备的电子枪虽然具备纳米尺度的电子束聚焦能力，但由于电流支取能力不足，当汇聚电子束直径放大到介观尺度范围时，功率密度大幅下降，也不能满足mebm的制造需求。
8.所以要满足mebm的制造需求，需要电子枪既有高的发射电流密度，又有合适的电流支取能力，即实现发射电流和电流密度的优化。在目前广泛应用于电子显微镜、电子束增材制造、电子束焊接等设备的电子枪中，尚无可以满足mebm应用的电子枪部件，导致市场上并没有成熟的金属微零件直接制造解决方案与装备。导致这一问题的主要原因在于缺乏之相应的灯丝材料及器件。
9.3.准宏观碳纤维兼具发射电流和电流密度优势，为mebm灯丝奠定了物质基础。
10.n.behabtu等人(behabtu n,pasquali m.strong,light,multifunctional fibers of carbon nanotubes with ultrahigh conductivity[j].science,2013,339(6116):182-186.)采用湿法纺织的方法制备了高性能的碳纳米管纤维，并对一段直径为9μ
m，长度在宏观量级的样品进行场发射性能测试，测试结果表明，在0.86v/μm的场强下发射电流3.6ma，电流密度可达到5.8
×
103a/cm2，表出了出色的电子发射性能。但由碳纳米管纺织或化纤碳化并石墨化而成的碳纤维，其几何形态不可避免存在不规则性，而且在短切过程必然形成崩边等导致的形态缺陷，严重影响电子束分布的对称性，因此不适合用作单尖冷阴极。
[0011]
曾凡光等人(专利公布号：cn 107119348 a)采用甲烷非催化气相生长的方法制备出尺寸准宏观的碳纤维，其端部呈光滑半球状且轴向对称的形态准理想，且对一根长度5mm，直径18μm该种纤维进行的场发射性能测试结果表明：在宏观场强1.36v/μm下，发射电流达到1.3ma，电流密度达到了1.5ka/cm2，也表现出极优异的电子发射性能。由于测试结构的不同，与n.behabtu等人的碳纳米管纤维的电子发射性能无法直接比较，但都在同一量级，发射性能均极为出色。
[0012]
从综合性能上看，曾凡光等人所制备的准宏观碳纤维兼顾完美的形态、理想的几何尺寸以及出色的电子发射特性，使得它在电子枪的应用中，可以提供对称性更高、均匀性更好、兼顾大的电流支取能力和高的发射电流密度的电子束，为设计高性能mebm电子枪奠定了基础。
[0013]
4.准宏观碳纤维实用化的前提是首先成为标准化灯丝器件
[0014]
准宏观碳纤维虽具备微米量级的直径，厘米量级的长度，完美几何状态且兼具大的电流支取能力和高的发射电流密度等优势，但要使其作为灯丝来实现商业mebm应用，必须使其成为标准化、可便捷更换的器件。
[0015]
但是现有技术中仍然存在以下技术问题，对于介观尺度复杂形状金属微零件的增材制造来说，电子束斑的直径必须与制造的特征尺度相匹配，因而mebm必须使用微米级甚至更细小的金属粉体，对应所需的电子束斑直径也需要视特征尺寸控制在微米到亚微米甚至深亚微米的尺度范围，功率密度达到105w/cm2以上的水平(参照现有ebm技术的功率密度要求)。对于这一要求，无论是现有ebm电子枪还是电镜的电子枪，都难以满足。前者电子枪的灯丝(如钨灯丝或lab6单晶)，电流支取能力较强，但其发射面较大(亚毫米级)，无法直接产生微米乃至更小的聚焦电子束，致其不能实现微制造。后者电子枪的灯丝(如钨单晶)，虽然它具备良好的电子发射能力(电流密度可达ka/cm2量级)，但该模式下发射面直径仅在nm尺度，电流支取能力不够，只能提供几十μa的总发射电流，这一量级的束流聚焦成介观尺度的束斑时，电流密度将会下降若干个数量级，导致介观尺度上功率密度不够，无法实现金属熔融，且价格昂贵，不适合用作消耗较大的mebm灯丝。
[0016]
综上，ebm电子枪以及电镜电子枪存在的主要技术问题是发射电流、电流密度及束流品质等性能难以很好地统一在一个器件中，即发射电流大的器件其发射电流密度一般较小，而电流密度大的器件又难以提供较大发射电流，在需要实现支取电流和电流密度的优化时，它们都存在一定的弱项。对于mebm来说，电流支取能力决定功率，电流发射密度决定功率密度，两者是实现快速高效金属微区熔融的保证。若想满足mebm制造需求，合适的电子枪灯丝材料和器件是关键所在。
[0017]
针对以上需求，本发明提出了准宏观冷场发射电子枪的器件化方法，并开发了一种可便捷更换的标准化灯丝器件。


技术实现要素：

[0018]
本发明改善了现有技术中准宏观冷场发射材料须器件化的问题，提供一种使用效果好、可便捷更换的的准宏观冷场发射电子枪及其制造方法。
[0019]
本发明的技术解决方案是，提供一种具有以下步骤的准宏观冷场发射电子枪及其制造方法：一种准宏观冷场发射电子枪，含有灯丝器件和电子枪基座，其中灯丝器件含有冷阴极灯丝和导电毛细管，冷阴极灯丝穿入导电毛细管的一端后通过压槽装置压接，导电毛细管的另一端连接电子枪基座，冷阴极灯丝的末端为电子发射端。
[0020]
优选地，所述导电毛细管插接或卡接在电子枪基座上。
[0021]
优选地，所述冷阴极灯丝的尺寸属于准宏观尺度，准宏观尺度特指至少一个维度具有宏观特征，宏观长度尺寸在100毫米以上，至少一个维度具有微观特征，微观直径尺寸在100～102微米内；冷阴极灯丝的材质包括准宏观碳纤维、碳纳米管束、六硼化镧、六硼化铈或钨单晶，其中准宏观碳纤维的末端为半球形，碳纳米管束的末端为整齐端面，六硼化镧、六硼化铈或钨单晶的末端为尖端。
[0022]
优选地，所述压槽装置含有相对接触的两个夹持臂，两个夹持臂一端相对的接触面为彼此吻合的平面或波浪状曲面，两个夹持臂另一端为中部互相铰接的自由端或彼此一体连接的自由端。
[0023]
优选地，一种准宏观冷场发射电子枪的制造方法，含有以下步骤，步骤一、选取导电毛细管：步骤二、切割导电毛细管；步骤三、清洗导电毛细管；步骤四、选取准宏观碳纤维灯丝；步骤五、初步穿插固定准宏观碳纤维灯丝；步骤六、定型准宏观碳纤维灯丝器件。
[0024]
优选地，所述步骤一中选取管径小、壁薄和质软的导电毛细管，其材料为铜、铝、铁、金、银或镍；步骤二中采用割管器将导电毛细管切割成长度合适的小段并进行打磨抛光处理，确保切口为规则圆形，切口处光滑无毛刺。
[0025]
优选地，所述步骤三中先将导电毛细管放入适量的无水酒精和丙酮的混合液中超声清洗10～30分钟，两者混合比例为1:1，取出后在去离子水中超声清洗5～15分钟，取出并放入稀盐酸中酸洗3～5分钟，再用去离子水洗净之后取出，最后将其干燥。
[0026]
优选地，所述步骤四中选取单根准宏观碳纤维，在显微镜下观察其形态及尺寸，剔除形态有缺陷的准宏观碳纤维后，将长度和直径比符合制造特征、纤体较直、表面平滑和顶端呈半球状的准宏观碳纤维单根保管备用。
[0027]
优选地，所述步骤五中将准宏观碳纤维及导电毛细管安放到三维移动操作平台，并用工具将准宏观碳纤维灯丝穿入导电毛细管，首先将微纳操作系统中的微型夹持探针安装在由压电马达驱动的线性平台组成的高精度三维显微操作平台上，导电毛细管固定在操作平台基座上；其次将前述步骤得到的准宏观碳纤维夹持在微型夹持探针上，手动控制模式下，设置遥杆步进位移，操作摇杆对微型夹持探针及平台进行三轴方向位移操作，精准控制夹具，使准宏观碳纤维准确无误的穿插到导电毛细管中。
[0028]
优选地，所述步骤六中采用“压制”式形变操作对已穿入准宏观碳纤维灯丝材料的导电毛细管的预定部位施加压力，使其产生形变，从而对准宏观碳纤维起到固定作用，并确保准宏观碳纤维和导电毛细管之间电连接可靠；对于颈部为圆形的细颈式压接，可将导电毛细管尾端固定在旋转装置上，在压接过程中令导电毛细管同时处于旋转状态；采用“弯曲”式形变操作时，导电毛细管无需旋转，仅对已插入准宏观碳纤维灯丝材料的导电毛细管
进行波浪状“弯曲”形变操作处理即可，依靠导电毛细管的塑性形变准宏观碳纤维自身形态的弹性保持形成两者之间的弹性接触，确保可靠电连接。
[0029]
与现有技术相比，本发明准宏观冷场发射电子枪及其制造方法具有以下优点：本发明涉及一种面向复杂形状微小金属零件增材制造应用，统筹考虑发射电流和发射电流密度，基于兼具高的发射电流密度和较好的电流支取能力的准宏观尺度的碳纤维灯丝材料，使这种灯丝材料成为标准化器件的器件结构和制造技术，提出一种标准化灯丝的方案并设计相应的灯丝器件。以此为基础，极有可能开发出面向mebm应用的电子枪器件，从而突破微小复杂金属零件am技术的瓶颈。
[0030]
1.基于简单的结构和制造方法，获得一种高性能、产品化、易使用的冷场发射电子枪标准化灯丝器件
[0031]
首先，冷场发射电子枪灯丝材料方面，本发明选取的非催化高温裂解方法所制备的准宏观碳纤维灯丝材料，具有半球形顶端、大的发射电流密度和电流支取能力，可保证在一个不太小的发射面内产生电流足够大、相干性足够高的介观尺度的高性能电子束。
[0032]
其次，在准宏观碳纤维灯丝材料固定方面，本发明选取具备良好的导电性、塑性等特性的金属管作为固定准宏观碳纤维灯丝材料的部件。
[0033]
最后，本发明通过准宏观碳纤维与金属管的同轴嵌套结构及“压制”式和“弯曲”式形变操作的制造方法，使二者之间形成弹性接触，确保电连接可靠。通过宏观尺度的金属管，将准宏观碳纤维的高电子发射性能优势以产品化、易操作的冷场发射电子枪标准化灯丝器件的形式发挥出来，实现了由灯丝材料到灯丝器件的蜕变。
[0034]
2.准宏观冷阴极电子枪灯丝器件采用非焊接的电连接方式，避免了因碳纤维与金属之间润湿性差，焊接过程不易形成可靠电连接的问题，也避免了高温焊接时，焊料对灯丝的损伤和污染。
[0035]
3.基于本发明的灯丝器件，可以开发出面向复杂形状金属微零件的电子束增材微制造方法与装备，为高端制造及高端装备注入新的活力
[0036]
本发明源自需求，又解决需求。从制约ebm实现微小复杂金属零件增材制造的关键因素出发，倒推材料需求，从现有准一维碳材料特性递推解决方案，并基于准一维的准宏观碳纤维材料设计及制造冷场发射电子枪灯丝器件，其不仅可以在mebm中应用，填补介观尺度复杂形状金属微零件制造领域空白，为系统小型化零部件及元器件领域开辟新的途径；而且在其他电子束焊、电子束曝光、电子显微镜等领域都具有非常可观的促进作用。
附图说明
[0037]
图1是本发明中准宏观碳纤维灯丝和导电毛细管的结构示意图；
[0038]
图2是本发明中准宏观碳纤维灯丝和导电毛细管通过平面压槽压接的剖面结构示意图；
[0039]
图3是本发明中准宏观碳纤维灯丝和导电毛细管通过弧形压槽压接的剖面结构示意图；
[0040]
图4是本发明中压槽装置的结构示意图之一；
[0041]
图5是本发明中压槽装置的结构示意图之二；
[0042]
图6是本发明中夹持部位的放大结构示意图之一；
[0043]
图7是本发明中夹持部位的放大结构示意图之二；
[0044]
图8是本发明中夹持部位的放大结构示意图之三；
[0045]
图9是本发明中图8的左视结构示意图。
[0046]
附图标号中1是准宏观碳纤维灯丝，2是导电毛细管，3是平面压槽，4是弧形压槽，5是压槽装置，5-1是上压块，5-2是扁平式下压块，5-3是细颈式下压块，5-4是曲面式压块，6是剪刀型夹持臂，7是镊子型夹持臂。
具体实施方式
[0047]
下面结合附图和具体实施方式对本发明准宏观冷场发射电子枪及其制造方法作进一步说明：为了方便理解本技术，先介绍几个本技术涉及到的技术术语。
[0048]
准宏观碳纤维：指某些维度具有宏观特征，而其他维度具有微观特征的碳纤维，如长度达到毫米以上量级，而直径不超过几十微米的碳纤维。
[0049]
气相生长：指基于甲烷或其他含碳气体高温裂解的生长工艺。气相生长碳纤维不同于基于化纤碳化得到的碳纤维。
[0050]
复杂形状金属微零件：指特征尺寸介于宏观于微观之间(亚毫米到亚微米，本发明也称介观尺度)，具有三维复杂结构(甚至是空间网格或镂空结构)的微小金属零件。这一尺度范围对于常规机械加工来说太小，而对于基于光刻的微加工技术来说又太大，且复杂空间结构也使得常规手段无法直接制造，是微小系统、微型机器人等领域的制造瓶颈。
[0051]
电子束增材微制造或电子微束增材制造(mebm)：以电子束熔融(ebm)为增材制造基本方法，通过减小电子束斑和待熔融金属粉颗粒的尺寸，实现复杂形状微小金属零件的增材制造。
[0052]
如图所示，本实施例中提供标准化的准宏观碳纤维灯丝结构及器件。选取的准宏观碳纤维灯丝材料长度维度上是宏观量级，直径维度上是微观量级，肉眼可见，便于单个拾取和操纵；所选取的金属管质软、导电性能好、抗机械损伤能力强，便于器件化结构设计中对其进行形变操作。通过结构化的设计，将高性能的准宏观碳纤维灯丝材料和物理特性优异的金属管完美结合，形成标准化易操作的灯丝器件。
[0053]
为实现上述目的，本发明的基本思想是：以高性能准宏观的碳纤维材料为冷场发射灯丝，以金属管为准宏观碳纤维灯丝的夹持部件，通过对穿入准宏观碳纤维的金属管施加适当压力而产生形变达到压接的效果，从而确保准宏观碳纤维和金属管之间电连接的可靠性，进而使得准宏观碳纤维成为标准化可操作的灯丝器件。主要步骤包括备料、清洗、组装、压接等关键环节。
[0054]
一种准宏观碳纤维的冷场发射灯丝器件及其制造方法，制作步骤如下，以毛细铜管为例，但不限于毛细铜管：
[0055]
步骤一、毛细铜管的选择：管径小，壁薄，质软。
[0056]
步骤二、毛细铜管的切割：采用割管器，将毛细铜管切割成长度合适的小段并进行进一步处理，确保切口为规则圆形，切口处光滑无毛刺。
[0057]
步骤三、毛细铜管的清洗：将切割成小段的毛细铜管按标准清洗程序清洗后干燥待用。清洗程序为：先将毛细铜管放入适量的无水酒精和丙酮1:1混合液中超声清洗10～30分钟，取出后在去离子水中超声清洗5～15分钟，之后取出并放入稀盐酸中酸洗3～5分钟，
去除铜表面的氧化层，然后用去离子水洗净之后取出，最后烘干或用高纯气体吹干。
[0058]
步骤四、准宏观碳纤维灯丝材料的选取:选取单根准宏观碳纤维，在显微镜下观察形态及尺寸，剔除形态有缺陷的准宏观碳纤维后，将尺寸合适、形态理想的准宏观碳纤维单根保管，留待下一步使用。此处所说的形态理想是指纤体较直，表面平滑，顶端呈半球状；所说的尺寸合适，是指准宏观碳纤维的直径和长径比符合根据制造特征尺寸和依据电子光学原理得到的灯丝发射面直径。
[0059]
步骤五、准宏观碳纤维灯丝材料的初步穿插固定：将前述步骤得到的准宏观碳纤维及毛细铜管适当安放，并辅以合适的工具，如放大镜、显微镜、镊子、机械手、平移台等，将准宏观碳纤维灯丝穿入毛细铜管。具体穿插步骤如下：首先将微纳操作系统中的微型夹持探针安装在由压电马达驱动的线性平台组成的高精度三维显微操作平台上，毛细铜管固定在操作平台基座上；其次将前述步骤得到的准宏观碳纤维夹持在微型夹持探针上，手动控制模式下，设置遥杆步进位移，操作摇杆对微型夹持探针及平台进行三轴方向位移操作，可在配套的光学显微镜外接的显示屏中观察毛细铜管准宏观碳纤维穿插操作细节，精准控制夹具，使准宏观碳纤维准确无误的穿插到毛细铜管中。
[0060]
步骤六：准宏观碳纤维灯丝器件的定型：可采用两种方法之一定型：“压制”式(见图2)或“弯曲”式形变(见图3)操作。第一种是“压制”式形变操作分为扁平式压制和细颈式压制，扁平式压制对毛细铜管的夹紧程度小于细颈式压制的夹紧程度，细颈式压制过程中令毛细铜管处于旋转状态进行多次压制(示意图见附图6和7)。对已穿入准宏观碳纤维灯丝材料的毛细铜管的预定部位施加压力，使其产生形变，从而对准宏观碳纤维起到固定作用，并确保准宏观碳纤维和毛细铜管之间电连接可靠。
[0061]
第二种是“弯曲”式形变操作(示意图见附图8和9)：对已插入准宏观碳纤维灯丝材料的毛细铜管通过曲面式压块进行波浪状“弯曲”形变操作处理，此方法依靠毛细铜管的塑性形变准宏观碳纤维自身形态的弹性保持形成两者之间的弹性接触，确保电连接可靠。
[0062]
本发明创造的关键改进点在于以下内容：
[0063]
1、通过准一维的准宏观灯丝材料实现介观尺度的高性能聚焦电子束。
[0064]
目前，以钨灯丝为代表的热阴极及以lab6单晶为代表的肖特基阴极，电流支取能力虽强，但发射面在亚毫米量级，无法实现介观尺度的聚焦离子束；以钨单晶为代表的冷阴极，虽具备高的电流密度，但发射面直径仅在纳米尺度，聚焦成介观尺度的电子束时，会导致介观尺度上电子束的功率密度下降若干数量级，无法对金属实现熔融。
[0065]
以上电子枪灯丝材料，均无法很好的实现支取电流能力和电流密度的优化，进而无法得到介观尺度上的高性能聚焦电子束，而本发明所选取的准一维的准宏观碳纤维灯丝材料，具备优异的形态(直线体型，半球顶端)、尺度(100mm以上长度量级，10
0-101μm直径量级)及电子发射能力(单根纤维ma级电流支取能力和ka/cm2级发射电流密度)等综合性能，可实现电流支取能力和电流密度优化，从而得到介观尺度的高性能聚焦电子束。
[0066]
2、利用金属管和准宏观碳纤维的同轴嵌套和压接过程的塑性-弹性对接机制实现标准化易操作、易更换的灯丝器件。
[0067]
准宏观碳纤维若能成为具有可操作性的器件，其准完美的尺度及电子发射优势便能更好的发挥出来。本发明将金属管的塑性属性与准宏观碳纤维的弹性特性结合，通过同轴嵌套，并施加适当的压力及形变操作，依靠金属管的塑性形变和准宏观碳纤维自身形态
的弹性保持形成两者之间的弹性接触，确保电连接可靠，从而得到标准化易操作、易更换准宏观碳纤维灯丝器件。
[0068]
将准宏观碳纤维的尾端穿入导电毛细管后通过非焊接的压接方式使二者形成良好的导电接触，避免了由于碳与金属不润湿造成的虚焊假焊等问题；准宏观碳纤维的顶端为电子发射端，通常具有半球形等规则几何形状，以保证电子发射束斑的规整性和均匀性。
[0069]
采用催化的方法，也可长出具有这种形态的准宏观碳纤维，故除了采用非催化制备的准宏观碳纤维灯丝材料外，也可以采用催化方法制备的准宏观碳纤维作为灯丝材料，用在标准化的灯丝器件上。
[0070]
若用lab6单晶以及其他具有电子发射能力的材料(如六硼化铈、钨单晶)做成了这种准宏观的纤维，也可采用本发明提出的方法，做成标准化的灯丝器件。
[0071]
本发明所提到的用于穿插固定准宏观碳纤维的金属管，并不仅仅限于毛细铜管，具备导电性的金属管及其他固体导电材料也在考虑范围内。
[0072]
另外，若对灯丝材料顶端形貌、单根性及电子束斑分布对称性要求不高的话，也可采用现有其他文献中报道的碳纳米管集束、碳纤维集束等作为灯丝材料，采用本发明的灯丝结构及实现方法制作标准化灯丝器件。
[0073]
3、特制的压制工具能够按照预定压制程度对导电毛细管进行压制，最终实现标准化且可靠的连接效果。